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相變存儲器的形成方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201210133616.7

申請日:

2012.04.28

公開號:

CN103378288B

公開日:

2015.01.21

當前法律狀態:

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有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H01L 45/00申請日:20120428|||公開
IPC分類號: H01L45/00 主分類號: H01L45/00
申請人: 中芯國際集成電路制造(上海)有限公司
發明人: 劉煥新
地址: 201203 上海市浦東新區張江路18號
優先權:
專利代理機構: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227 代理人: 駱蘇華
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201210133616.7

授權公告號:

103378288B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.21|||2013.11.27|||2013.10.30

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

一種相變存儲器的形成方法,包括:提供襯底,所述襯底表面形成有介質層,以及貫穿所述襯底和介質層的底部電極;形成粘附層,所述粘附層覆蓋所述介質層,并暴露出所述底部電極;沉積相變材料,所述相變材料覆蓋所述粘附層以及底部電極;圖形化所述相變材料,形成相變材料層,所述相變材料層包括與底部電極連接的相變電阻層以及與底部電極不連接的襯墊;對形成有相變材料層的襯底進行清洗。本發明相變存儲器的形成方法通過在襯底上介質層與相變材料形成的襯墊之間形成粘附層來提高介質層與襯墊之間的附著力,避免襯墊從介質層上剝離而導致的相變存儲器的位線失效,提高了所形成相變存儲器的良率。

權利要求書

權利要求書
1.  一種相變存儲器的形成方法,其特征在于,包括:
提供襯底,所述襯底表面形成有介質層,以及貫穿所述襯底和介質層的底部電極;
形成粘附層,所述粘附層覆蓋所述介質層,并暴露出所述底部電極;
沉積相變材料,所述相變材料覆蓋所述粘附層以及底部電極;
圖形化所述相變材料,形成相變材料層,所述相變材料層包括與底部電極連接的相變電阻層以及與底部電極不連接的襯墊;
對形成有相變材料層的襯底進行清洗。

2.  如權利要求1所述的相變存儲器的形成方法,其特征在于,所述底部電極的材質為多晶硅或鎢。

3.  如權利要求1所述的相變存儲器的形成方法,其特征在于,所述介質層的材質為氧化硅。

4.  如權利要求3所述的相變存儲器的形成方法,其特征在于,以正硅酸乙酯為硅源,通過等離子增強氣相沉積工藝形成所述介質層。

5.  如權利要求3所述的相變存儲器的形成方法,其特征在于,所述粘附層的材質為氮化鈦。

6.  如權利要求3所述的相變存儲器的形成方法,其特征在于,所述粘附層的厚度在30~70埃范圍內。

7.  如權利要求1所述的相變存儲器的形成方法,其特征在于,在形成粘附層前,還包括:對所述底部電極進行回刻,使所述底部電極的表面低于所述介質層的上表面。

8.  如權利要求1所述的相變存儲器的形成方法,其特征在于,形成粘附層,所述粘附層覆蓋所述介質層,并暴露出所述底部電極包括:在所述介質層上沉積覆蓋所述介質層和底部電極表面的粘附材料;在所述粘附材料上沉 積第一光刻膠,圖形化所述第一光刻膠,形成包含第一光刻膠圖形的第一光刻膠層;以所述第一光刻膠層為掩模,對所述粘附材料進行刻蝕,形成粘附層;去除所述第一光刻膠層。

9.  如權利要求8所述的相變存儲器的形成方法,其特征在于,以所述第一光刻膠層為掩模,通過干法刻蝕工藝對所述粘附材料進行刻蝕,形成粘附層。

10.  如權利要求9所述的相變存儲器的形成方法,其特征在于,通過灰化工藝去除所述第一光刻膠層。

11.  如權利要求9所述的相變存儲器的形成方法,其特征在于,在去除所述第一光刻膠層后,還包括:對形成有所述粘附層的襯底進行清洗。

12.  如權利要求11所述的相變存儲器的形成方法,其特征在于,通過氫氟酸溶液對形成有所述粘附層的襯底進行清洗,所述氫氟酸溶液中水與氫氟酸的體積比在200~1000:1范圍內,清洗時間在30~120秒范圍內。

13.  如權利要求8所述的相變存儲器的形成方法,其特征在于,以所述第一光刻膠層為掩模,通過濕法刻蝕工藝對所述粘附材料進行刻蝕,形成粘附層。

14.  如權利要求13所述的相變存儲器的形成方法,其特征在于,所述濕法刻蝕的刻蝕溶液為SC1溶液,所述SC1溶液中NH4OH、H2O2與H2O的體積比在1:1~2:50~200范圍內,所述濕法刻蝕的溫度在25~60攝氏度范圍內,時間在1~3分鐘范圍內。

15.  如權利要求13所述的相變存儲器的形成方法,其特征在于,所述濕法刻蝕的刻蝕溶液為氟化氫溶液,所述氟化氫溶液中水與氟化氫的體積比在100~1000:1范圍內,所述濕法刻蝕的溫度在23~45攝氏度范圍內,時間在0.5~3分鐘范圍內。

16.  如權利要求9或13所述的相變存儲器的形成方法,其特征在于,通過濕法清洗去除所述第一光刻膠。

17.  如權利要求16所述的相變存儲器的形成方法,其特征在于,所述濕法清洗 的清洗溶液為N-甲基吡咯烷酮溶液,所述濕法清洗的溫度在60~80攝氏度范圍內,時間在1~10分鐘范圍內。

18.  如權利要求1所述的相變存儲器的形成方法,其特征在于,所述相變材料的材質為鍺銻碲。

19.  如權利要求1所述的相變存儲器的形成方法,其特征在于,在沉積相變材料后,還包括:在所述相變材料上沉積保護層。

20.  如權利要求19所述的相變存儲器的形成方法,其特征在于,所述保護層的材質為氮化鈦。

21.  如權利要求1所述的相變存儲器的形成方法,其特征在于,圖形化所述相變材料,形成相變材料層,所述相變材料層包括與底部電極連接的相變電阻層以及與底部電極不連接的襯墊,包括:在所述相變材料上沉積第二光刻膠層,所述第二光刻膠層包括第二光刻膠圖案;以所述第二光刻膠層為掩模,對所述相變材料和粘附層進行刻蝕,至暴露出介質層,形成相變材料層;去除所述位于相變材料層上的第二光刻膠層。

22.  如權利要求1所述的相變存儲器的形成方法,其特征在于,通過氫氟酸溶液對形成有相變材料層的襯底進行清洗,所述氫氟酸溶液中水與氫氟酸的體積比在1000~15000:1范圍內,清洗時間在20~120秒范圍內。

說明書

說明書相變存儲器的形成方法
技術領域
本發明涉及半導體技術領域,具體的,本發明涉及相變存儲器(PCRAM)的形成方法。
背景技術
隨著信息技術的發展,存儲器件的需求越來越大,因此促進了存儲器件朝著高性能、低壓、低功耗、高速及高密度方向發展。
相變存儲器(Phase Change Random Access Memory,PCRAM)技術是基于S.R.Ovshinsky在20世紀60年代末提出相變薄膜可以應用于相變存儲介質的構想建立起來的,其使用元素周期表中V族或VI族的一種或一種以上元素的合金作為相變電阻,用相變電阻作為存儲單元,相變電阻在以電脈沖的形式集中加熱的情況下,能夠從有序的晶態(電阻低)快速轉變為無序的非晶態(電阻高)。作為一種新興的非易失性存儲技術,相變存儲器在讀寫速度、讀寫次數、數據保持時間、單元面積、多值實現等諸多方面對快閃存儲器都具有較大的優越性,已成為目前非揮發存儲技術研究的焦點。
典型的相變存儲器使用硫族化物合金(比如GST,GeSbTe)作為相變電阻,存儲單元是一種極小的硫族合金顆粒,相變電阻的非晶(a-GST,a-GeSbTe)和結晶(c-GST,c-GeSbTe)狀態具有不同的電阻率,結晶狀態具有大約為千歐姆(kΩ)的典型電阻,而非晶狀態具有大約為兆歐姆(M Ω)的典型電阻,因此通常利用硫族化物合金材料(比如GST,GeSbTe)制作相變電阻。通過測量PCRAM存儲單元的電阻值(即相變電阻的電阻值)來讀取PCRAM單元。
參考圖1,為現有技術制作以GST作為相變材料的相變存儲器的形成過程,包括以下步驟:首先,執行步驟S11,提供半導體襯底,所述半導體襯底上形成有材質為氧化硅的介質層,以及貫穿所述介質層和半導體襯底的底部電極;接著,執行步驟S12,對底部電極進行回刻,在所述介質層上沉積GST層,對所述GST層進行刻蝕,形成GST圖形;然后,執行步驟S13,對包含GST圖形的半導體襯底進行清洗;最后,執行步驟S14,形成覆蓋所述GST圖形的層間介質層,以及通過CMP工藝減薄所述GST圖形厚度。在通過CMP工藝減薄所述GST圖形厚度的過程中,為了使襯底上各個位置的研磨速率一致,所述GST圖形除包括作為相變電阻的相變材料外,還包括材料為GST的襯墊(PAD)。
然而,由于GST材料與材質為氧化硅的介質層之間的附著力較小,導致在對包含GST圖形的半導體襯底進行清洗過程中,襯墊從介質層剝離,使得后續形成的、位于相變電阻頂部電極上方的位線失效,使所制造的相變存儲器失效,嚴重影響了所形成相變存儲器的良率。
更多相變存儲器的形成方法請參考專利號為US6838727B2的美國專利申請。
因此,如何提供一種相變存儲器的形成方法,以提高所制造相變存儲器的良率,就成了亟待解決的問題。
發明內容
本發明解決的問題是提供一種相變存儲器的形成方法,防止現有工藝所形成的相變存儲器中相變材料從襯底上介質層剝離,提高所形成的相變存儲器的良率。
為解決上述問題,本發明提供了一種形變存儲器的形成方法,包括:提供襯底,所述襯底表面形成有介質層,以及貫穿所述襯底和介質層的底部電 極;形成粘附層,所述粘附層覆蓋所述介質層,并暴露出所述底部電極;沉積相變材料,所述相變材料覆蓋所述粘附層以及底部電極;圖形化所述相變材料,形成相變材料層,所述相變材料層包括與底部電極連接的相變電阻層以及與底部電極不連接的襯墊;對形成有相變材料層的襯底進行清洗。
可選的,所述底部電極的材質為多晶硅或鎢。
可選的,所述介質層的材質為氧化硅。
可選的,以正硅酸乙酯為硅源,通過等離子增強氣相沉積工藝形成所述介質層。
可選的,所述粘附層的材質為氮化鈦。
可選的,所述粘附層的厚度在30~70埃范圍內。
可選的,在形成粘附層前,還包括:對所述底部電極進行回刻,使所述底部電極的表面低于所述介質層的上表面。
可選的,形成粘附層,所述粘附層覆蓋所述介質層,并暴露出所述底部電極包括:在所述介質層上沉積覆蓋所述介質層和底部電極表面的粘附材料;在所述粘附材料上沉積第一光刻膠,圖形化所述第一光刻膠,形成包含第一光刻膠圖形的第一光刻膠層;以所述第一光刻膠層為掩模,對所述粘附材料進行刻蝕,形成覆蓋所述介質層的粘附層;去除所述第一光刻膠層。
可選的,以所述第一光刻膠層為掩模,通過干法刻蝕工藝對所述粘附材料進行刻蝕,形成覆蓋所述介質層的粘附層。
可選的,通過灰化工藝去除所述第一光刻膠層。
可選的,在去除所述第一光刻膠層后,還包括:對形成有所述粘附層的襯底進行清洗。
可選的,通過氫氟酸溶液對形成有所述粘附層的襯底進行清洗,所述氫 氟酸溶液中水與氫氟酸的體積比在200~1000:1范圍內,清洗時間在30~120秒范圍內。
可選的,以所述第一光刻膠層為掩模,通過濕法刻蝕工藝對所述粘附材料進行刻蝕,形成覆蓋所述介質層的粘附層。
可選的,所述濕法刻蝕的刻蝕溶液為SC1溶液,所述SC1溶液中NH4OH、H2O2與H2O的體積比在1:1~2:50~200范圍內,所述濕法刻蝕的溫度2在5~60攝氏度范圍內,時間在1~3分鐘范圍內。
可選的,所述濕法刻蝕的刻蝕溶液為氟化氫溶液,所述氟化氫溶液中水與氟化氫的體積比在100~1000:1范圍內,所述濕法刻蝕的溫度在23~45攝氏度范圍內,時間在0.5~3分鐘范圍內。
可選的,通過濕法清洗去除所述第一光刻膠。
可選的,所述濕法清洗的清洗溶液為N-甲基吡咯烷酮溶液(NMP溶液),所述濕法清洗的溫度在60~80攝氏度范圍內,時間在1~10分鐘范圍內。
可選的,所述相變材料的材質為鍺銻碲(GeSbTe)。
可選的,在所述粘附層和插塞表面沉積相變材料后,還包括:在所述相變材料上沉積保護層。
可選的,所述保護層的材質為氮化鈦。
可選的,圖形化所述相變材料,形成相變材料層,所述相變材料層包括與底部電極連接的相變電阻層以及與底部電極不連接的襯墊,包括:在所述相變材料上沉積第二光刻膠層,所述第二光刻膠層包括第二光刻膠圖案;以所述第二光刻膠層為掩模,對所述相變材料和粘附層進行刻蝕,至暴露出介質層,形成相變材料層;去除所述位于相變材料層上的第二光刻膠層。
可選的,通過氫氟酸溶液對形成有相變材料層的襯底進行清洗,所述氫 氟酸溶液中水與氫氟酸的體積比在1000~15000:1范圍內,清洗時間在20~120秒范圍內。
與現有技術相比,本發明具有以下優點:
本發明相變存儲器的形成方法通過在位于襯底上介質層表面沉積粘附層來提高相變材料與介質層之間的附著力,防止后續清洗工藝中由相變材料形成的襯墊從介質層剝離,避免因襯墊剝離而導致位于相變存儲器頂部電極上方的位線失效,提高所形成相變存儲器的良率。
附圖說明
圖1為現有工藝形成相變存儲器的流程示意圖;
圖2為本發明相變存儲器的形成方法一實施方式的流程示意圖;
圖3~圖11為本發明相變存儲器的形成方法一實施例所形成相變存儲器各階段的剖面結構示意圖。
具體實施方式
為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂,下面結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細的說明。
在下面的描述中闡述了很多具體細節以便于充分理解本發明,但是本發明還可以采用其它不同于在此描述的其它方式來實施,因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。
正如背景技術部分所述,由于相變材料GST與位于襯底上介質層的附著力小,導致相變材料形成的襯墊易從介質層剝離,導致襯墊上方頂部電極連接的位線失效,進而使得所形成的相變存儲器的良率較低。
針對上述問題,發明人提供了一種相變存儲器的形成方法,包括:提供襯底,所述襯底表面形成有介質層,以及貫穿所述襯底和介質層的底部電極; 形成粘附層,所述粘附層覆蓋所述介質層,并暴露出所述底部電極;沉積相變材料,所述相變材料覆蓋所述粘附層以及底部電極;圖形化所述相變材料,形成相變材料層,所述相變材料層包括與底部電極連接的相變電阻層以及與底部電極不連接的襯墊;對形成有相變材料層的襯底進行清洗。本發明相變存儲器的形成方法通過在襯底上介質層與相變材料形成的襯墊之間形成粘附層來提高介質層與襯墊之間的附著力,避免襯墊從介質層上剝離而導致的相變存儲器的位線失效,提高了所形成相變存儲器的良率。
參考圖2,為本發明相變存儲器的形成方法一實施方式的流程示意圖,所述方法包括以下步驟:
步驟S201,提供襯底,所述襯底表面形成有介質層,以及貫穿所述襯底和介質層的底部電極;
步驟S202,形成粘附層,所述粘附層覆蓋所述介質層,并暴露出所述底部電極;
步驟S203,沉積相變材料,所述相變材料覆蓋所述粘附層以及底部電極;
步驟S204,圖形化所述相變材料,形成相變材料層,所述相變材料層包括與底部電極連接的相變電阻層以及與底部電極不連接的襯墊;
步驟S205,對形成有相變材料層的襯底進行清洗。
參考圖3~11,為本發明相變存儲器的形成方法一實施例所形成的相變存儲器各階段的剖面結構示意圖。下面結合圖2~圖11,并通過具體實施例來進一步說明本發明相變存儲器的形成方法的技術方案。
結合參考圖2和圖3,執行步驟S201,提供襯底300,所述襯底300表面形成有介質層304,以及貫穿所述襯底300和介質層304的底部電極。
在具體實施例中,所述底部電極包括貫穿所述襯底300的第一底部電極 302a和貫穿所述介質層304的第二底部電極302b。所述第二底部電極302b在水平方向上的橫截面積小于第一底部電極302a在水平方向上的橫截面積,以減小底部電極與后續形成相變材料的接觸面積,進而減少在使用所形成的相變存儲器時的能量消耗。
具體的,所述襯底300的材質可以為單晶硅(Si)、單晶鍺(Ge)、硅鍺(GeSi)或碳化硅(SiC);也可以是絕緣體上硅(SOI),絕緣體上鍺(GOI);或者還可以為其它的材料,例如砷化鎵等Ⅲ-Ⅴ族化合物。所述介質層304的材質可以為氧化硅,所述氧化硅可以以正硅酸乙酯(PETEOS)為硅源,通過等離子體氣相沉積工藝沉積。所述底部電極的材質可以為鎢或多晶硅,但不限于鎢或多晶硅,也可為本領域技術人員公知的其他材料。
結合參考圖2和圖4~7,執行步驟S202,形成粘附層308b,所述粘附層308b覆蓋所述介質層304,并暴露出所述底部電極。
如圖4所示,在本實施例在形成粘附層前,還需要對所述第二底部電極302b進行回刻,使所述第二底部電極302b的表面低于所述介質層304的上表面,以提高后續形成相變電阻與第二底部電極302b的結合度。
本實施例中,形成粘附層308b時,包括以下步驟:
首先,如圖5所示,在所述介質層304上沉積覆蓋所述介質層304和底部電極表面的粘附材料308a。
本發明實施例中,所述粘附材料308a的材質可以為氮化鈦,所述粘附材料308a的厚度在30~70埃范圍內。
接著,在所述粘附材料308a上沉積第一光刻膠,圖形化所述第一光刻膠,形成包含第一光刻膠圖形的第一光刻膠層310。
具體的,所述第一光刻膠層310作為后續對粘附材料308a進行刻蝕的掩模,所述第一光刻膠層310中光刻膠圖形使正對第二底部電極302b的粘附材 料308a暴露。
然后,如圖6所示,以所述第一光刻膠層310為掩模,對所述粘附材料308a進行刻蝕,形成粘附層;
在具體實施例中,通過濕法刻蝕工藝對所述粘附材料308a進行刻蝕,所述濕法刻蝕的刻蝕溶液可以為SC1溶液,所述SC1溶液中NH4OH、H2O2與H2O的體積比在1:1~2:50~200范圍內,所述濕法刻蝕的溫度在25~60攝氏度范圍內,時間在1~3分鐘范圍內;所述濕法刻蝕的刻蝕溶液還可以為氟化氫溶液,所述氟化氫溶液中水與氟化氫的體積比在100~1000:1范圍內,所述濕法刻蝕的溫度在23~45攝氏度范圍內,時間在0.5~3分鐘范圍內。
在其他實施例中,還可以通過干法刻蝕工藝對所述粘附材料308a進行刻蝕。
最后,如圖7所示,去除所述第一光刻膠層310。
當通過濕法刻蝕工藝對所述粘附材料308a進行刻蝕時,后續還可通過濕法清洗去除所述第一光刻膠層310。所述濕法清洗的清洗溶液可以為N-甲基吡咯烷酮溶液(NMP溶液),所述濕法清洗的溫度在60~80攝氏度范圍內,時間在1~10分鐘范圍內。
當通過干法刻蝕工藝對所述粘附材料308a進行刻蝕時,后續還可通過灰化工藝去除所述第一光刻膠層310,也可通過濕法清洗去除所述第一光刻膠層310。所述濕法清洗的清洗溶液可以為N-甲基吡咯烷酮溶液(NMP溶液),所述濕法清洗的溫度在60~80攝氏度范圍內,時間在1~10分鐘范圍內。
在其他實施例中,通過干法刻蝕工藝對所述粘附材料308a刻蝕、以及通過灰化工藝去除第一光刻膠層310后,還包括對形成有粘附層308b的襯底300進行清洗。
具體的,可以通過氫氟酸溶液對形成有粘附層308b的襯底300進行清洗, 所述氫氟酸溶液中水與氫氟酸(HF)的體積比在200~1000:1范圍內,清洗時間在30~120秒范圍內。
結合參考圖2和圖8,執行步驟S203,沉積相變材料312a,所述相變材料312a覆蓋所述粘附層308b以及第二底部電極302b。
在本發明的具體實施例中,所述相變材料312a的材質可以為鍺銻碲(GeSbTe)。
在其他實施例中,在沉積相變材料312a后,還包括:在所述相變材料312a上沉積保護層(圖未示),以在后續對相變材料312a刻蝕過程中保護需要保留的相變材料312a,保障所形成相變電極的形態,提高所形成相變存儲器的性能。具體的,所述保護層的材質可以為氮化鈦。
結合參考圖2和圖9~11,執行步驟S204,圖形化所述相變材料312a,形成相變材料層312b,所述相變材料層312b包括與底部電極連接的相變電阻層312b1以及與底部電極不連接的襯墊312b2。
由于襯墊312b2與介質層304之間形成有粘附層308b,可以有效提高襯墊312b2與介質層304之間附著力。
本實施例中,圖形化所述相變材料312a,形成相變材料層312b,包括:
首先,如圖9所示,在所述相變材料312a上沉積第二光刻膠層314,所述第二光刻膠層314包括第二光刻膠圖案;
接著,如圖10所示,以所述第二光刻膠層314為掩模,對所述相變材料312a和粘附層308b進行刻蝕,至暴露出介質層304,形成相變材料層312b;
最后,如圖11所示,去除所述位于相變材料層312b上的第二光刻膠層314。
所述第二光刻膠層314的去除方式可以為干法刻蝕也可以為濕法刻蝕, 其具體實施方式作為本領域技術人員的公知技術,在此不做贅述。
結合參考圖2,執行步驟S205,對形成有相變材料層312b的襯底300進行清洗。
具體的,可以通過氫氟酸溶液對形成有相變材料層312b的襯底300進行清洗,所述氫氟酸溶液中水與氫氟酸的體積比在1000~15000:1范圍內,清洗時間在20~120秒范圍內。
由于襯墊312b2與介質層304之間形成有粘附層308b,使得襯墊312b2不易與介質層304剝離,保障位于相變存儲器頂部電極上方的位線不發生移位,防止因位線移位而導致的相位存儲器失效,提高了所形成相位存儲器的良率。
綜上,本發明相變存儲器的形成方法通過在位于襯底上介質層沉積粘附層來提高相變層材料與介質層之間的附著力,防止在后續清洗工藝中相變材料形成襯墊從介質層上剝離,以及因襯墊剝離而導致的位于相變存儲器頂部電極上方的位線失效,提高所形成相變存儲器的良率。
以上所述僅為本發明的具體實施例,為了使本領域技術人員更好的理解本發明的精神,然而本發明的保護范圍并不以該具體實施例的具體描述為限定范圍,任何本領域的技術人員在不脫離本發明精神的范圍內,可以對本發明的具體實施例做修改,而不脫離本發明的保護范圍。

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相變 存儲器 形成 方法
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